Фрэнк Райан - Виролюция. Важнейшая книга об эволюции после «Эгоистичного гена» Ричарда Докинза

• Название: Виролюция. Важнейшая книга об эволюции после «Эгоистичного гена» Ричарда Докинза
• Автор: Фрэнк Райан
• Издательство: Ломоносовъ
• Жанр: Биология
• Год: 2014
• ISBN: 978-5-91678-143-4

Основная идея этой книги шокирует. Все живое на планете, в том числе люди, живут в симбиозе с вирусами, эволюционируют вместе с ними и благодаря им… выживают. Первая реакция читателя: этого не может быть! Но, оказывается, может… Вирусы, их производные и тесно связанные с ними структуры составляют как минимум сорок три процента человеческого генома, что заставляет сделать вывод: естественный отбор у человека и его предков происходил в партнерстве с сотнями вирусов. Но как вирусы встроились в человеческий геном? Как естественный отбор работает на уровне вирус-носитель? Как взаимодействуют движущие силы эволюции — мутации, симбиогенез, гибридизация и эпигенетика? Об этом — логичный, обоснованный научно и подкрепленный экспериментальными данными рассказ Фрэнка Райана.

Книга изготовлена в соответствии с Федеральным законом от 29 декабря 2010 г. № 436-ФЗ, ст. 1, п. 2, пп. 3. Возрастных ограничений нет

---

С точки зрения симбиоза пандемия СПИДа представляет собой все еще первую стадию симбиотической динамики, названной мною «агрессивным симбиозом». Вирусная же эпидемия среди коал, насчитывающая, должно быть, чуть более сотни лет, уже вступила во вторую стадию агрессивного симбиоза. Большая часть представителей вида заражена, вирус активно отсеивает не способные ужиться с ним генотипы, с устрашающей скоростью происходит эндогенизация. Чрезвычайное разнообразие способов внедрения вируса в геном коал вполне логично на ранней стадии голобионтической эволюции, когда отбор уже активно работает на уровне генетического взаимодействия вируса с носителем. В постигшем коал бедствии мы наблюдаем эволюционную динамику, которая, несомненно, происходила не раз и не два в истории позвоночных, в особенности млекопитающих, чьи геномы ныне изобилуют внедренными и передающимися по наследству ретровирусами.

Насколько мне известно, ни один геном млекопитающих не колонизирован ретровирусами столь обширно, как наш. Я допускаю, что интерпретация этого обширного присутствия в духе современного дарвинизма вполне возможна, но настаиваю на значительном влиянии симбиоза на образование вирусной части нашего генома. Принципиально важно то, что мы, люди, представляем собой голобионтическое единство вирусов и млекопитающих. Доказать это либо опровергнуть можно исследованиями вклада ретровирусов в наш геном и их роли в нем. На практике это значит — обнаружить активно действующие вирусные гены и контрольные последовательности, сохраненные в геноме на протяжении долгого времени естественным отбором, действующим на уровне партнерства между вирусами и позвоночными. Признаки действия этих генов и последовательностей должны обнаруживаться на каждом уровне нашего существования: и в работе генома, и в эмбриональном развитии, и в повседневной работе биохимии нашего тела.

Здесь логично вспомнить еще одного нобелевского лауреата — занимавшуюся цитогенетикой американку Барбару Мак-Клинток, которая изучала геном кукурузы[39]. В двадцатых годах двадцатого столетия она разработала технику слежения за хромосомами растений и изучения их изменения в процессе размножения растений. Ее работа стала революционной для нескольких отраслей генетики. Например, она открыла, что в процессе соединения мужских и женских половых клеток (деление на полы столь же характерно для растений, как и для животных) родительские хромосомы выстраиваются в так называемом «танце хромосом», или мейозе, и обмениваются частями. Теперь мы называем это явление «половой генетической рекомбинацией» — и это объясняет, почему отличаются разные дети одних и тех же родителей. В течение сороковых и пятидесятых годов прошлого столетия Мак-Клинток открыла транспозоны — гены, способные перепрыгивать из одной хромосомы в другую. Она обнаружила первых представителей огромной армии мобильных элементов генома, найденных с тех пор в геномах каждого из изученных когда-либо растений либо животных. Как это случается со многими, опередившими свое время, работы Мак-Клинток были встречены с изрядной долей скепсиса. Потому она прекратила публикацию своих результатов в 1953 году. Если бы она понимала принципы вирусного симбиоза, возможно, она бы нашла поддержку среди симбиологов своего времени. Понадобилось целых тридцать лет, чтобы научный мир принял и понял ее пионерские идеи — Нобелевскую премию ей дали всего лишь в 1983 году. Транспозоны, открытые Мак-Клинток, — это ДНК-транспозоны, которые, по нынешним представлениям, с ретровирусами не связаны. Насчет их происхождения существует несколько противоречащих друг другу теорий, но симбиотический подход подводит к заключению об их вирусном происхождении — или, по крайней мере, что они происходят от ДНК-содержащих вирусов.

ДНК-транспозоны составляют половину генома кукурузы. Их находят у всех живых существ, и их способность модифицировать хромосомы дает начало эволюционным изменениям, хотя и таит в себе опасность возникновения болезней. Аналогичные ДНК-транспозоны составляют три процента человеческого генома, и до недавнего времени их значение для эволюции человека оставалось непонятым. Недостаток этот был исправлен в 2007 году, когда Пэйс и Фешо проанализировали активность подобных человеческим ДНК-транспозон в процессе эволюции приматов. Результаты они получили в высшей степени интригующие — но и обескураживающие. По их оценке, человеческий геном содержит по меньшей мере сорок различных семейств ДНК-транспозон, включающих более девяноста восьми тысяч членов. И они должны были проявлять большую активность на ранней стадии эволюции приматов. Но их активность прекратилась около тридцати семи миллионов лет назад[40]. Цитирую Пэйса и Фешо: «Эти данные указывают на большую активность ДНК-транспозон в эволюции млекопитающих предков приматов и ранних приматов и на последующее почти полное прекращение их активности у антропоидного предка нынешних приматов».

Два других — и гораздо больших — транспозонных элемента человеческого генома — LINE и SINE — по происхождению отличаются от ДНК-транспозонов. Отличаются они и тем, как реплицируются и вставляют свои копии в хромосомы: им приходится транслировать свою ДНК назад в РНК, а та должна снова превратиться в ДНК, чтобы внедриться в геном. Это типичное для ретровирусов поведение, зависящее от ретровирусного энзима обратной транскриптазы; поэтому LINE и SINE и зависящие от них Alu-повторы объединены в одной группе, названной «ретротранспозоны».

Читая интригующие заключение работы Пэйса и Фешо, я вспомнил замечание Вильярреала о том, что массовое заселение человеческого генома ретровирусами пришлось как раз на то время, когда прекратилась активность ДНК-транспозон. Вильярреал назвал это явление «великой колонизацией человека эндогенными ретровирусами»[41]. В особенности массово заселило дочеловеческий геном семейство эндогенных ретровирусов, известное как «HERV-K». Ретровирусы этого семейства эндогенизировались позже прочих вирусов, присутствующих в нынешнем человеческом геноме, они специфичны именно для человека. Вильярреал также подозревал, что эти новые вирусы заменили старые, присутствовавшие в геноме ранее. Хотя это не более чем гипотеза, она заставляет задуматься: быть может, огромная транспозонная часть нашего генома, по числу ДНК вдвое превышающая часть генома, доставшуюся нам от позвоночных предков, — это кладбище древней генетической войны между вирусами, войну эту выиграли HERV-K.

Первые эндогенные вирусы были открыты в конце шестидесятых — начале семидесятых, и не в человеческом геноме. К их открытию привело изучение вызывающих лейкемию вирусов у кур и мышей. В то время открытие внедряющихся в геном вирусных генов было с трудом воспринято научной общественностью. По словам первооткрывателя эндогенных вирусов кур Робина А. Вайса, «менделевский перенос генома, интегрировавшего в себя вызывающий рак вирус, в половые клетки здоровых животных, был расценен как нечто противоестественное»[42]. Когда Вайс, в те времена работавший в Университетском колледже Лондона, послал в печать статью, где показывалось, как «нормальная» куриная клетка с эндогенизированным в геноме вирусом птичьей лейкемии может передать вирусный env-ген другому вирусу и тем самым сделать его активным и заразным, — статью отвергли с порога, рецензент объявил подобное невозможным.

В начале семидесятых годов прошлого века ученые были очень удивлены, обнаружив под электронным микроскопом, что ретровирусы присутствуют в плаценте бабуинов. Впоследствии аналогичные вирусы были обнаружены в плацентах здоровых кошек, мышей, морских свинок и человека. Это подвигло их на поиски вирусных генов в хромосомах приматов, и они в самом деле были найдены в конце семидесятых[43]. В 1981 году американцы Малколм А. Мартин, работавший в Национальном институте здравоохранения в Вифезде, и Морис Коэн, работавший в Национальном институте исследования рака во Фредерике, сообщили об обнаружении первых ретровирусных последовательностей в человеческом геноме[44]. Коэн обозначил находку как «ERV1» — это была единичная копия вируса, встроенная в восемнадцатую хромосому. Причем копия дефективная, не имеющая части 5’LTR, так что превратиться в полноценный вирус она не могла. Мартин с Коэном также обнаружили, что область ДНК рядом с фрагментом 3’LTR практически идентична аналогичной по расположению области ДНК у шимпанзе, что указывает на присутствие ERV1 в хромосоме на этом же месте у общего предка шимпанзе и человека.

В 1984 году группа Коэна открыла более интересный эндогенный вирус — полноценный вирусный геном, внедренный в седьмую хромосому. Находку назвали «ERV3»[45]. Как и в случае ERV1, изучение последовательностей показало, что интеграция вируса произошла на заре эволюции приматов, поскольку он присутствовал в геномах всех исследованных обезьян Старого Света, от мартышек до человекообразных. Сейчас полагают, что это голобионтическое партнерство установилось от сорока до тридцати миллионов лет назад. Группа Коэна обнаружила и еще один любопытный и важный факт: области gag и pol генома ERV3 содержали стоп-кодоны — мутации, предотвращавшие активацию генома. То есть хотя вирус и сохранился почти в целости, способность размножаться и заражать потерял. Исследователи также установили, что области, ответственные за регулирование деятельности вируса и способные контролировать работу генома носителя — env и две области LTR, — сохранились целиком. Сохранение таких деталей вирусного генома в процессе эволюции подтверждает работу эволюции именно на голобионтическом уровне, то есть симбиотическую ее динамику. Результаты указывают на возможную существенную роль ERV3 в эволюции приматов — причем как в прошлом, так и, возможно, в настоящем. Влияние ERV3 сможет сказываться на работе генетического аппарата человека.